1、新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文浅谈水箱水位单片机控制系统作者姓名：陈雪婷摘要随着科学技术的发展,化工生产中自动过程控制系统已代替传统仪器仪表,实现了对生产工艺参数的检测、显示、记录、调节、控制及报警等功能,它对提高化工生产线的作业率,改善产品质量及缩短新产品、新工艺的开发周期起到了极其重要的作用。自动控制系统的特点是对生产过程进行实时监控,控制过程复杂,监控参数多且数据变化快,数据处理及存储量大。根据过程控制系统的特点及不同生产工艺过程控制要求,应用不同的控制系统才可以既安全可靠又经济高效地完成生产任务。液位是许多工业生产中的重要参数之一。在化工生产领域,对液位的测量和控
2、制效果直接影响到产品的质量。由于单片微型计算机具有体积小、耗电少、控制精度高和运行可靠等特点,所以广泛应用于生产实际中。关键词：单片机；液位；控制系统引言在能源、化工等多个领域中普遍存在着各类液位控制系统。传统的液位控制多采用包含手动控制方式的单回路控制，同时采用传统的指针式机械仪表来显示液位的当前值。传统的液位控制在生产中一直占有主导地位，但随着生产线的更新，不仅要求有更直观、准确、稳定的液位控制系统，同时还要求在降低生产设备的成本方面有所突破，这就要求我们开发新型既实用又价廉的液位控制系统 1。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控
3、制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文随着新型电子技术和计算机技术的广泛应用与普及，目前成熟的水位自动控制手段主要有单片机监控和比较电路监控两种，其比较如
4、下：单片机监控系统结构相对复杂，需要硬件和软件同时支持，外围电路相对繁琐，但其人机交互性强，功能强大，控制精度高，能够方便地与上位机通讯，实现数据共享，在现实生产中主要应用在对控制精度要求较高的场合。比较电路监控技术结构简单，不需要软件支持，价格低廉，但是其较差的人机交互性和不具备数据共享的弱点决定了其只能应用在对控制精度不高的一般场合 2-3。在工业控制中,经常会遇到一些具有高阶、大滞后、非线性等特点的复杂系统。水位控制就是这样的系统，由于液体本身的属性及控制机构(电机、阀门等) 摩擦等因素的影响,控制对象具有一定纯滞后和容量滞后的特点,水位上升的过程缓慢,呈现非线性。PID 控制器问世至今
5、已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID控制技术。PID控制，实际中也有 PI和 PD控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的 4。研究思路对于一个水箱水位控制来说，要想控制精度高，控制简便快速，那么就必须采用单片机与 PID控制
6、的结合方式，那么这样既能体现单片机控制系统性能稳定可靠、设置操作方便、造价低等特点也能提高整个控制系统的精度、速度、稳定性。对提高化工生产线的作业率，改善产品质量及缩短新产品、新工艺的开发周期起到了极其重要的作用 5。研究意义在化工生产过程中，存在很多需进行液位控制的系统。传统的液位控制多采用包含手动控制方式的单回路控制，同时采用传统的指针式机械仪表来显示液位的当前值。传统的液位控制在生产中一直占有主导地位，但随着生产线的更新，不仅要求有更直观、准确、稳定的液位控制系统，同时还要求在降低生产设备的成本方面有所突破，这就要求我们开发新型既实用又价廉的液位控制系统。随着新型电子技术和计算机技术的广
7、泛应用与普及，单片机控制系统以其控制精度高、性能稳定可靠、设置操作方便、造价低等特点被应用到液位系统的控制中来，同时该控制系统可以设计数字显示部分，增强了系统的可视性。1.系统的控制原理新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文控制系统的系统框图如图 1.1，此为一个闭环控制系统。其主要特点为输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响，反馈信号通过系统内部的中间信号获得。其作用为应用反馈，减少偏差。闭环控制系统的优点在于精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感，但是也存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计较开环系统麻烦。图 1.1 闭环控制系统框图2单容水箱水
8、位控制系统模型单容水箱水位控制系统如图 2.1所示，容器流入量由电动调节阀控制，流量为 Q1，并有一流出口，容器流出量由阀 2控制，流量为 Q2，且开度是恒定不变的。压力传感器测出当前的液位，并通过 I/V及 A/D转换输入单片机，再根据手动设定的液位值和当前测得的液位信号，经过内部的数字 PID算法输出一个相应的控制量，再经过 D/A及 V/I转换输出一个模拟的控制信号到电动调节阀，控制调节阀的开度，最终控制水位到设定值 6。图 2.1 单容水箱水位控制系统模型控制系统的硬件组成及简介本系统的硬件组成主要包括： 压力变送器 A/D转换芯片TLC1543控制器 对象或过程测量变送输入量 输出量
9、反馈量执行机构阀 1流量 Q1液位 H阀 2流量 Q2新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文 D/A转换芯片TLC5620 RT1602C液晶显示 单片机AT89S52 电动调节阀 键盘 I/V、V/I转换模块系统通过键盘可以设定所需的液位值，还有PID中，P、I、D三个参数的值，并能通过液晶屏实时显示当前液位值，及其参数值。系统由压力变送器及A/D转换芯片采集当前液位，并与设定液位值比较，经过内部算法输出控制量，再由D/A转换芯片及电动调节阀调节水流流量，使其液位逐步达到设定值 7。硬件设计框图，如图2.2：压力变送器放大电路放大电路LCD 显示键盘设置D/A 转换电路I/V
10、转换电路V/I 转换电路AT89S52单片机A/D转换电路电动调节阀图 2.2 系统硬件框图3.单片机（AT89S52）MCS-51系列单片机简介1980年 Intel公司在 MCS-48系列单片机的基础上，又推出了 MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51 系列单片机无论是片内 RAM容量、I/O 口功能、系统扩展能力，还是指令系统和 CPU的处理功能都非常强。尤其是 MCS-51所特有的布尔处理机，在逻辑处理与控制方面具有突出优点。MCS-51 系列单片机适合于实时控制，可构成工业控制器、智能仪表、智能接口、智能武器装置以及通用测控单元等等。目前世界上各大半导体公司推出的系列化新型兼容
11、单片机，都是以最早的 8051为内核，增加一定的功能部件构成的，不仅具有相同的指令系统、地址空间和寻址方式，有些甚至连引脚功能也完全兼容，而且各具有特色、阵容强大、品种齐全，可以满足各类用途的系统设计需要，同是也保护新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文了用户早期的软硬件投资。由于 MCS-51系列单片机具有体积小、功能全、价廉、面向控制、开发应用方便等有点，具有极强的竞争力，今后它仍然是工业界、科技界广泛选择应用的 8位微控制器 8-9。AT89S52单片机是增强型的 MCS-51系列单片机，它除了兼容 8051的全部功能外，还增强了其他功能。它是一种低功耗、高性能 CMOS
12、8位微控制器，具有 8K片内可编程 Flash存储器。使用 Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容、片上 Flash允许程序存储器在线系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8位 CPU和在线系统可编程 Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。图 2.3为 AT89S52的引脚结构。图 2.3 AT89S52引脚结构3.1数据采集及输出模块3.1.1数据采集（A/D 转换）本系统的数据采集主要由 A/D转换芯片 TLC1543来完成。TLC1543 是美国TI公司生产的多通道、低价格的模数
13、转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。3.1.2控制信号输出（D/A 转换）新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文本系统的控制信号输出主要由D/A转换芯片TLC5620来完成。TLC5620芯片是带有缓冲基准输入端的4路8位数字-模拟转换器，4路可同时更新。它使用4个电阻串256个编码对应256个分压值，并与单片机接口的电路简单，性价比高。当电压位5V，8位精度的最小分辨电压为5V/2560.02V。其输出电压的计算公式为：（2.1）0(/256)(1refUDb式中， 表示需转换的数字量， 等于0或1表示量程切
14、换。025D3.2信号转换及处理由于压力变送器输出的信号为标准的 420mA电流信号，但是 TLC1543输入要求为 05V电压信号。所以必须要进行 I/V转换。同理电动调节阀接受的也是标准的 420mA电流信号，而 TLC5620输出的是 05V电压信号，所以必须要进行 V/I转换。根据欧姆定理，传统的 I/V、V/I 转换通常是通过一个标准电阻来完成。为了便于采集和控制，我们选用精准的 250 电阻进行转换，其转换出来的电压值为 15V。转换电路如下图：图 3.1I/V、V/I 转换电路图在实验过程中发现采集的电压虽然恒定在某一数值上，但对于高精度的模数转换器来说，往往很不稳定，所以对于这
15、类信号的处理上，在输出端和地之间并联一电容，滤去不必要的抖动，使其输出或者接受到的电压更加稳定，便于观察、分析，处理。除了接收和输出一个稳定的信号时，往往还需考虑驱动负载能力的问题。由于 TLC5620只是一个模数转换器，当与负载直接连接时，驱动能力大大下降，所以在输出信号时，本系统还利用运放来提高驱动负载的能力。图 3.2为电压跟随器。输入端电压始终等于输出端电压，但是两边的电路被运放完全隔离，5V 电压直接用来驱动负载，这样就大大地提高了电路驱动负载的能力。新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文图 3.2 电压跟随器4.实验与结果分析首先将250电阻两端的电压引入TLC154
16、3芯片的0通道，再次将电动调节阀420mA的输入端与电压跟随器后的V/I转换输出端相连。须对液位的0位和最高位进行设定。设定的方法为旋下压力变送器的外壳，可看到两个可调变阻器。标识为Z的为变送器的零位，当液位为0cm时，调节该变阻器，使得液晶显示屏的PV值为0.0。接着开动水泵，关闭出水阀，当液面升至10cm以上后关闭水泵，调整出水阀使液面降至10cm处，调整标识为R的可调变阻器，此为变送器增益调节器，调节此变阻器使得液晶显示屏的PV值为10.0。0位和最高位设置好之后，把出水阀开至某一开度，当液位降至0cm后，对单片机进行复位，设置好预达到的液位值和P、I、D三个参数，打开水泵，同时进行计时
17、。数据见下表：表 4.1 P控制记录 1设定值 SV：5.0 P：2.0 I：0.0 D：0.0 位置式控制方式时间（s） 液位（cm） 时间（s） 液位（cm）0 0 65 5.45 0.5 70 5.210 1.8 75 5.215 2.9 80 5.120 3.9 85 5.125 4.8 90 5.030 5.5 100 4.935 5.9 105 4.940 5.7 110 5.045 5.6 115 5.050 5.5 120 5.0新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文55 5.560 5.4012345670 20 40 60 80 100 120 140图 4.
18、3 P控制记录曲线 1图 4.2 P控制记录 2设定值 SV：5.0 P：4.0 I：0.0 D：0.0 位置式控制方式时间（s） 液位（cm） 时间（s） 液位（cm）0 0 85 5.65 1.2 90 5.610 2.2 95 5.515 3.2 100 5.420 4.3 105 5.425 5.5 110 5.230 6.2 115 5.235 6.5 120 5.140 6.3 125 5.145 6.2 130 5.050 6.1 135 4.955 6.1 140 5.060 6.0 145 5.065 6.0 150 5.070 5.9 160 5.075 5.980 5.7
19、新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文012345670 20 40 60 80 100 120 140 160 180图 4.4 P控制记录曲线 2表 4.3 PD控制记录 1设定值 SV：5.0 P：2.0 I：0.0 D：0.5 位置式控制方式时间（s） 液位（cm） 时间（s） 液位（cm）0 0 65 4.85 1.1 70 4.910 2.0 75 4.915 2.9 80 4.820 3.5 85 4.925 3.9 90 5.030 4.1 95 5.035 4.4 100 4.940 4.5 105 5.045 4.6 110 5.050 4.655 4.760
20、 4.8新疆石河子职业技术学院 2009级自动化专业毕业论文01234560 20 40 60 80 100 120图 4.5 PD控制记录曲线 1表 4.4 PD控制记录 2设定值 SV：5.0 P：4.0 I：0.0 D：0.5 位置式控制方式时间（s） 液位（cm） 时间（s） 液位（cm）0 0 90 5.45 0.5 95 5.410 2.0 100 5.415 3.0 105 5.320 4.1 110 5.325 5.0 115 5.230 6.0 120 5.235 6.3 125 5.140 6.2 130 5.145 6.1 135 5.150 6.0 140 5.055 6.0 145 5.060 5.9 150 4.965 5.7 155 4.970 5.7 160 5.075 5.680 5.585 5.5
